Ph 10

Umwelt u. Technik

Supraleitung

Der elektrische Widerstand von Leitern nimmt i.a. mit sinkender Temperatur ab (Kaltleiter). Man kann den Widerstandswert eines Leiters in Abhängigkeit von der absoluten Temperatur durch die folgende Näherungsformel beschreiben:

Dabei ist R293 der Widerstandswert bei 20°C = 293 K.
α ist der Temperaturkoeffizient; er hat z.B. für Quecksilber den Wert 0,9·10-3 1/K

Diese Näherungsformel gilt zuverlässig nur in kleineren Temperaturbereichen. Wie sich der Widerstand eines Leiters bei sehr tiefen Temperaturen verhält war zu Beginn des 20. Jahrhunderts Gegenstand der Forschung.


linearer Verlauf des Widerstandes in Abhängigkeit von der Temperatur in allen Bereichen?


 

Dem holländischen Physiker Kammerling Onnes gelang die Verflüssigung von Helium, das bei 4,2 K kondensiert. Somit war es Onnes möglich, den Widerstand von Leitern (er verwendete Quecksilber) bei sehr tiefen Temperatur zu untersuchen.

 

 

 

 

Dabei entdeckte Onnes 1911, dass eine Quecksilberprobe bei 4,2 K schlagartig ihren elektrischen Widerstand verlor, also zu einem idealen Leiter wurde. Onnes bezeichnete dieses Phänomen als Supraleitung. In der Folgezeit wurden eine Reihe von Supraleitern entdeckt. Allen gemeinsam war, dass sie bei einer kritischen Temperatur Tc (Sprungtemperatur) ihren Widerstand verloren.

 

 

Experimentell stellt man dies mit Hilfe des Spannungsabfalls an der untersuchten Probe fest:
Hat ein Leiter den Widerstand R, so fällt an ihm bei Stromfluss die Spannung U = R·I ab. Geht der Widerstand auf Null, so stellt man auch an dem Spannungsmesser keinen Ausschlag mehr fest.


Supraleitende Materialien eröffnen interessante Möglichkeiten in Wissenschaft und Technik. Fließt in einem supraleitenden Ring einmal ein Strom, so nimmt sein Wert - ohne äußere Spannungsquelle - über Jahre hinweg nicht ab. Allerdings muss dafür ein sehr großer experimenteller Aufwand getrieben werden, da das Material ständig unterhalb der Sprungtemperatur gehalten werden muss. Supraleitende Spulen werden heute u.a. zum Erzeugen sehr starker Magnetfelder eingesetzt, wie man sie in Kernspintomographen oder Teilchenbeschleunigern benötigt.

Im Jahre 1986 entdeckten G. Bednorz und A. Müller dass der keramische Stoff YBa2Cu3O7 eine relativ hohe Sprungtemperatur von 92 K besitzt. Zum Kühlen dieser Proben reicht der leicht erhältliche und im Vergleich zum flüssigen Helium wesentlich billigere flüssige Stickstoff aus, der bei 77 K siedet. Inzwischen hat man eine Reihe von sogenannten Hochtemperatur-Supraleitern gefunden. Allerdings ist man immer noch auf der Suche nach praktikablen Werkstoffen, die einmal als energiesparender Ersatz für die heute verwendeten Kupferleitungen bei der Stromversorgung dienen könnten.


Müller | Bednorz
Nobelpreis 1987

Material
Sprung-
temperatur
Aluminium
1,14 K
Quecksilber
4,15 K
YBa2Cu3O7
92 K
HgBa2Ca2Cu3O8
133 K

Ein besonderer Effekt tritt auf, wenn man einen im Magnetfeld befindlichen Körper unter die Sprungtemperatur abkühlt:
Im Körper bildet sich ein nicht abklingender Strom aus (Meissner-Ochsenfeld-Effekt). Aufgrund des vom Strom in der supraleitenden Probe bedingten Magnetfeldes kann diese über einem Permanentmagneten zum Schweben gebracht werden.

Anwendungsmöglichkeit: Anheben von Schienenfahrzeugen (Transrapid), damit ein nahezu reibungsfreies Gleiten auf der Schiene möglich wird.

Auf der Seite: http://www.physik.tu-berlin.de/institute/IFFP/thomsen/supra01.html können Sie sich eine Videosequenz des "gelifteten" Supraleiters betrachten.